静电负刚度微机电加速度计的两种检测模式分析

为了探索能大幅提高灵敏度的全新检测模式,针对频率检测和模态局部化检测两种检测模式的静电负刚度微机电加速度计,进行了原理分析和仿真比较。通过分析两种检测模式下加速度计的敏感、检测原理,推导出其振动方程和检测信号的理想模型。研究发现系统的耦合系数和静电力是影响灵敏度与线性度的关键因素,并对此进行了有限元仿真与分析。仿真分析结果表明基于模态局部化检测的加速度计灵敏度为4.8/g,相对灵敏度为3800000 ppm,与传统频率检测方式相比相对灵敏度提高了三个数量级。同时耦合系数与模态局部化检测的加速度计相对灵敏度呈负相关增长趋势;静电力与两者相对灵敏度呈正相关趋势。针对两种检测方式的比较和影响两种检测模式性能因素的研究,对未来提高加速度计性能和结构设计提供一定的理论支持。

一种工程化微机电加速度计研制

提出一种“三明治”电容式检测原理的闭环微机电加速度计敏感结构,并对该敏感结构基础电容及微机电加速度计量程、标度因数等主要指标进行了设计,通过模态仿真验证了该结构参数对工作模态和干扰模态之间频率隔离的有效性。设计了分立电路闭环整表双腔封装/组装方案,实现了微机电加速度计整表样机,并对该样机量程和一次通电稳定性指标进行了测试。测试结果表明:该加速度计实现了量程大于±50 g n,一次通电稳定性(1 h,1σ)达到了5.97×10-5 g n。

基于微机电加速度计的地震烈度计

为了实现破坏性地震强度的速报,提高地震应急响应效率,指导抗震救灾,设计一种新型地震烈度计。采用性价比较高的微机电加速度计MODEL-1221作为地震传感器,利用4个通道的同步24位模数转换器ADS1274进行地震信号转换,使用32位嵌入式处理器AT91RM9200作为地震事件的判定和烈度参数计算的平台,保证仪器整体性能,能够满足地震烈度速报需要;此外,该地震烈度计具有开关量输出,可以作为地震紧急处置系统的地震开关来使用,实现一机多用,一机多能。

微机械加速度计中的寄生电容对噪声的影响

主要分析变面积式微机械加速度敏感元件中的固定平行电极间寄生电容对系统噪声的影响,建立敏感元件的电磁仿真模型,进行噪声公式的推导,并得到了实验验证。通过仿真分析发现,铝电极下的玻璃衬底是增大该寄生电容的主要因素。实验结果表明,该寄生电容会增加60%以上的系统噪声。

基于电容检测的高精度大量程MEMS加速度计设计

为满足系统在导航和倾角测量等领域对高精度、大量程加速度计的应用需求,设计了一种高精度、大量程微机电系统(MEMS)加速度计。加速度计敏感结构采用梳齿式结构,电容/电压(C/V)转换电路采用开关电容架构,通过斩波技术和相关双采样技术有效降低调理电路的1/f噪声。为提高系统线性度,模/数转换器(ADC)采用2阶1 bit Sigma-Delta架构,同时采用斩波技术降低ADC的失调及1/f噪声。本文设计采用0.18μm BCD工艺,调理电路面积为28 mm^(2)。测试结果表明:MEMS加速度计在±50 gn的量程下,零偏稳定性达到73.7μg,非线性度为69.3×10^(-6),总功耗110 mW。

基于微机电系统加速度计的杆塔倾斜检测装置的开发

输电线路杆塔倾斜是处于不良地质区(采空区、滑坡区、高盐冻土区等)的输电线路随时会出现的严重故障,为了及时发现杆塔倾斜并修复,需要对杆塔的状态进行实时监测。依据重力加速度测量值计算倾斜角原理,设计开发了一种输电线路杆塔倾斜检测装置,采用基于微机电系统的三轴加速度计ADXL345作为传感元件进行数据采集,采用含有无线射频电路及Zigbee协议栈的STM32W108片上系统作为中央处理器进行加速度采样数据处理,并经Zigbee网络传送至上位机,实现了杆塔倾斜角的实时检测。

微机电系统加速度计辐射效应

综述了微机电系统(MEMS)加速度计辐照效应与辐照机理国内外现状,阐释了其加固技术研究的必要性。介绍了不同类型MEMS加速度计的辐射敏感性及材料的辐射退化机理、不同材料的辐射损伤表现及硅材料的辐射效应;重点分析了MEMS加速度计国内外辐照试验研究,最后给出了MEMS加速度计辐射加固研究方向的建议。

MEMS三轴加速度计误差标定与补偿方法研究

为了提高微机电系统(MEMS)三轴加速度计的测量精度,建立了MEMS三轴加速度计卡尔曼滤波模型,根据MEMS三轴加速度计的输出误差模型,推导了基于六位置法的误差补偿数学模型,并给出了数学模型中补偿参数的解算方法。最后基于自主研发的电子罗盘进行了实验验证,实验结果表明:经过卡尔曼滤波后,MEMS三轴加速度计输出噪声减小了74%;经过六位置法标定后,MEMS三轴加速度计的测量精度提升了1个数量级,解算得到的倾斜角精度由5.9°RMS提高到0.3°RMS。

加强发展战术级微机电惯性仪表的建议

本文介绍了微机电惯性仪表的国际水平,以及清华大学精密仪器与机械学系的研制进展.叙述了所研制的微机电加速度计和微机电陀螺仪的原理、结构及已达到的主要性能指标.总结了已经解决和急需解决的主要关键技术.提出了加速发展我国微机电惯性仪表的几点建议.

基于小波包-神经网络的MEMS加速度计零漂补偿

针对微机电系统(MEMS)加速度计零位漂移大的问题,研究了一种基于Birgé-Massert(BM)阈值小波包降噪的广义回归神经网络对MEMS加速度计零位漂移进行非线性抑制的新方法。该方法首先利用BM阈值小波包滤除零位漂移中的噪声,然后利用广义回归网络对非线性数据的无限逼近原理,来建立MEMS加速度计的零漂模型。将实测数据代入模型,计算结果表明,经过该模型补偿后的零漂输出结果同未经补偿、最小二乘拟合补偿、未经滤波建模补偿相比,均值分别减小97.4%、67.8%、67.8%,均方差分别减小87.4%、87.5%、90.9%;利用训练后的模型进行实时补偿延迟时间为10-5 s。分析结果证明了基于BM阈值小波包降噪滤波技术的广义回归网络组合模型的有效性和合理性。

自适应MEMS加速度计滤波算法

简要分析了微机电系统(MEMS)加速度计使用模型中的噪声来源,介绍了一种自适应平滑滤波器的设计方法,通过增设滤波阈值来调节滤波系数,实现了对MEMS加速度数据的动态降噪处理。实验结果表明:自适应平滑滤波器能有效抑制加速度计输出信号中的高频噪声,滤波前噪声信号均方根误差为2.32×10^(-5)m/s^2,经过滤波后,噪声信号均方根误差为4.79×10^(-7)m/s^2,提高了加速度计的测量精度,取得了良好的滤波效果。

MEMS加速度计混合误差标定补偿方案

针对微机电系统(MEMS)加速度计在实际使用过程中存在非正交零偏误差和温度漂移误差的问题,提出了一种混合误差标定补偿算法。算法通过分析加速度计温度与误差的关系,在不同温度区间下建立加速度计输出的误差模型,在每个温度区间采用十二位置校准法对加速度计的非正交零偏误差进行标定补偿,得到精确的零偏和刻度因子,同时采用最小二乘法拟合零偏和刻度因子与温度的一维关系函数,最终实现不同温度区间下的动态误差补偿。实验结果表明,本算法可使加速度计输出的精度提高1个数量级,补偿效果明显。

MEMS加速度计的温度误差建模及补偿

弹载惯导系统通常应用于温度变化剧烈的环境,为了降低环境温度对其组件MEMS加速度计测量的影响,该文对加速度计在不同温度下的输出进行了分析。而后对加速度计零偏和标度因数进行温度建模,通过温变实验建立了加速度计温度补偿模型。利用此模型对加速度计在不同温度下的输出进行补偿。补偿结果表明,所建立的温度补偿模型可以有效地补偿加速度计温度测量误差,测量误差可降低到10^(-2)g^10^(-3)g,为其应用于后续惯性导航解算奠定一定的基础。

基于EMD分解的MEMS加速度计随机误差补偿

为提高MEMS加速度计测量精度,采用了一种基于经验模态分解法(EMD)的随机误差补偿方法。文中通过EMD算法将加速度计信号分解为本征模态函数(IMFs)和一个残余分量,将IMF分为噪声主导分量、信号/噪声混合分量及信号主导分量三类:通过阈值处理实现信号/噪声混合分量降噪;将经过降噪的信号/噪声混合分量与信号主导分量进行重构,得到降噪后的加速度计信号。通过仿真动态数据验证和静态采集数据验证,证明算法有效提高了加速计的测量精度。

基于ARMA建模的MEMS加速度计随机误差补偿方法

为提高MEMS加速度计测量精度,采用了一种基于自回归滑动平均(ARMA)模型和卡尔曼(Kalman)滤波的随机误差补偿方法。文中对预处理后的加速度计数据进行一阶差分,差分数据通过了平稳性分析,根据自相关和偏相关特性分析,确定随机误差适用模型,根据贝叶斯信息准则(BIC)确定模型阶数,从而确定随机误差模型。再通过Kalman滤波,实现对加速度计随机误差的滤波补偿,使得加速度计的零偏稳定性由0.5179mg降低为0.0528mg,指标提高了一个数量级,有效提高了加速度计的测量精度。

新型车载MEMS加速度计的设计及性能优化

为了能够实时检测车辆的姿态,设计了一种基于单片机(MSC1214)的MEMS加速度计。前端敏感元件感知加速度,由数字电路提取信号和输出,采用硬件均值滤波和软件卡尔曼滤波有效滤除随机噪声,提高信号曲线的平滑度及响应速度。针对零偏问题设计了软件消除零位误差算法,有效地减少零偏,数字输出收敛时间缩短了约16倍。针对系统零位漂移问题,设计了软件算法进行跟踪,有效地抑制了零位随时间的漂移问题。经过测试,加速度计能够实现载体在-60^+60 g n范围内的线加速度测量,滤波后的数字输出稳定性提高了8.77倍,并满足线性度≤1%FS。

MEA优化的BPNN MEMS加速度计温度补偿系统

在充分研究单轴硅微扭摆式电容加速度计结构原理和温度特性的基础上,利用思维进化算法(MEA)优化反向传播神经网络(BPNN)参数构建微机电系统(MEMS)加速度计的温度补偿模型,通过温度实验,计算出温度模型参数,进而实现实时温度补偿。实验结果表明:使用MEA优化的BPNN算法补偿后加速度计的非线性由1 576×10-6减小为266×10-6,标度因数温度系数由438×10-6/℃减小为78×10-6/℃,全温零偏极差由58.8 mgn减小为2.7 mgn,加速度计的温度特性大幅提高,证明所提温度补偿算法的有效性。

基于MEMS加速度计阵列的测斜仪设计

针对岩土工程边坡失稳现象中岩土内部位移变化监测需求,设计制作了一种基于微机电系统(MEMS)加速度计阵列的测斜仪。该测斜仪系统由一个基于STM32控制模块和8个由三轴的加速度计单元模块构成。各单元模块空间位置改变,各加速度计的输出经模数转换后通过串口传输到PC端,利用卡尔曼滤波算法与基于欧拉角的姿态解析算法,实现测斜仪倾斜变化以二维图形方式显示。

MEMS加速度计在线快速标定系统设计与实现

微机电系统(MEMS)加速度计的标定方法主要是利用高精度转台在重力场下进行翻转实验,通过采集存储不同位置下的加速度计输出,利用事后处理的方法得到待标定加速度计的标度因数和零位电压。然而事后处理的方法效率较低,数据处理较繁琐。为了优化标定系统并提高标定效率,提出并设计一种MEMS加速度计在线快速标定系统,通过微控制器实时采集不同位置加速度计数据、处理后并传输至Lab VIEW设计的上位机,最后,实时快速拟合出标定曲线和标定参数,具有一定的工程利用价值。

基于MEMS加速度计的水下目标触发探测器

定向起爆技术在自主攻击型水下航行器上的应用,需要水下目标触发探测器能够提供目标方位信息;同时,为了应对不同性质的水下目标,需要水下目标触发探测器能够随时更改触发阈值。现有的以机械式惯性开关作为敏感部件的水下目标触发探测器无法感知目标方位、无法更改触发阈值。基于此,文中采用微机电系统(MEMS)加速度计作为惯性敏感部件,并与嵌入式微处理器技术结合,设计了一种基于MEMS加速度计的水下目标触发探测器。分析了输入信号的特性,规划了输出信号形式,介绍了水下目标触发探测器的总体技术方案及软、硬件实现途径,并对原理样机进行了几种典型工况下的功能试验。试验结果表明,基于MEMS加速度计的水下目标触发探测器技术方案有效、可行,能够实现感知和输出目标方位信息、在线更改触发阈值的功能。